JP4355082B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガス等の被測定ガスが流れる流路を形成する管に取り付けられ、基準ガスとしての大気を外部から導入して機能するガスセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、混合ガス中から特定のガス成分の濃度を検出するガスセンサとして、HCセンサやNOxセンサ等種々のものが知られている。
この種のガスセンサの一つとして、例えば特開平9−54063号公報に示される外気導入型の酸素センサがある。この酸素センサは、外気を導入する通気孔を、ガスセンサの最上部に設けられたシール部材の中央を軸方向に貫通するように形成すると共に、この通気孔を硬質の撥水性フィルタにより閉塞することにより、その通気性と防水性を保持している。
【0003】
しかし、このような硬質フィルタを通気孔全体にわたって配置した構成では、フィルタ自体の体積が大きいことから、その通気性を十分に確保することが困難であるという問題があった。
そこで、例えば先行する特許出願(特願平10−374117)に示された技術では、シート状の撥水性フィルタを、通気孔に嵌挿可能な筒状挿入部材の外周面と通気孔の内周面との間に挟持する態様で通気孔内に固定する構成とし、その通気性を保持している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成では、撥水性フィルタを筒状挿入部材に被せた状態で、通気孔に挿入する際に、通気孔の内面との間の摩擦力により撥水性フィルタが引っ張られる状態となる。このため、撥水性フィルタの材質によっては、挿入の際に撥水性フィルタが薄肉化して耐水圧が下がり、防水性能が低下してしまうという問題が懸念された。
【0005】
本発明はこうした問題に鑑みてなされたものであり、大気を外部から導入して機能するガスセンサにおいて、通気性、防水性等に優れたガスセンサを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題に鑑み、請求項1記載のガスセンサにおいては、ガスセンサの基準ガス空間を大気側からシールする部材であるゴムグロメットに、大気側から基準ガス空間に酸素を導入する通気経路を、通気経路の大気側開口部がゴムグロメットの上端面に開口する様に形成した上で、その外側開口部を閉塞する様にフィルタを設け、そのフィルタを、前記ゴムグロメットの上端面と、自らの下端面との間で挟持するように、押え部材を配置する様にした。
【0007】
フィルタとしては、上記の様にシール部材と押え部材で挟持するようにしたので、フィルタとしてシート状のものを用いても、平板な形状でそのまま用いることが出来るので、一部が引っ張られて防水性が低下することが無い。
上記押え部材としては、あらゆる材質のものを用いる事が出来る。例えば、テフロン等の樹脂、フッ素ゴムなどのゴム材料、或いは、金属やセラミックスでも良い。
【0008】
なお、樹脂を用いると押え部材の加工が容易であり、安価に出来るというメリットを有する。更に樹脂の中でもゴム等の弾性体材料を用いると、シール部材を傷つける恐れが無いというメリットを有する。但し、フィルタと接触する界面において防水性を有する必要があるので、ある程度の硬度が必要になる。特に押え部材はその厚みを厚くしすぎると、フィルタの通気面上部に形成される凹部に塵などが溜まりやすいので、ある程度の厚さ以下にする必要が有る。その場合、シール部材よりも硬いゴムを用いないと、フィルタが押え部材とシール部材の間にしっかりと挟持されなくなり、防水性が低下する恐れが有るため、押え部材側の弾性体はシール部材よりも硬度が高い弾性体で形成するのが望ましい。
【0009】
一方、押え部材を金属やセラミックスで形成した場合には、金属やセラミックスはシール部材よりも遥かに硬度が高いので、押え部材を樹脂や弾性体で形成するよりも薄くする事が出来る。その為、フィルタの通気面上部に形成される凹部に塵などが溜まり難くなるので好ましい。また、金属やセラミックスであれば耐熱性も良好であり、通常の使用環境温度下では硬度が低下しないので、高温でも防水性を維持することが出来る。
【0010】
押え部材の形状としては、前記シール部材の少なくとも一部を内側に収容する様に、外周縁から一方向に延びる側壁が形成された形状とする事が出来る。この様な形状とする事で、シール部材と押え部材は一体に組付ける事が出来るので、ガスセンサに組付ける前の段階で、フィルタと共に一体に組付けてからセンサに組付ける事が出来る。
【0011】
なお、押え部材とシール部材の間にフィルタを固定した場合に、両部材が相互に自由に動くような状態でフィルタを挟持していると、両部材に逆方向の力が加わった場合に、フィルタを撚るような力が働いて、フィルタに皺が形成されたり、場合によってはフィルタが切れたりする恐れが有る。
【0012】
そこで、シール部材と押え部材はフィルタを挟持した状態では、相互に自由に動かない様に一体に係止している事が望ましい。その為、シール部材と押え部材にはそれぞれ第1係合部と第2係合部を設けて、第1係合部と第2係合部が係合して、シール部材と押え部材が一体に係止している構造とすると良い。
【0013】
特に押え部材はシール部材の上端面に接しているので、上端面に平行な方向での動きを止める事が出来れば、フィルタを変形するような力が掛かる事を防止できる。そこで、シール部材の上端面に凸部を形成し、押え部材にその凸部に係合するような凹部を設け、それら凸部に凹部を係合する構造とすると良い。押え部材に凸部を設け、シール部材に凹部を設けても同じように両者の動きを固定する事が出来る。なお、押え部材の厚みが薄く凹部を形成することが難しい場合には、凹部ではなく係合孔を形成して、凸部を挿通するようにしてもよい。
【0014】
ところで、ガスセンサの検出素子には通常、外部との電気的接続を図るためにリード線が接続されている。そしてシール部材には、このリード線を挿通しつつ気密状態でシールするための挿通孔が形成されているが、前記の凸部は前記挿通孔を含んだ領域に形成することが望ましい。通常のガスセンサの場合、前記シール部材の上端面は面積が少なく、挿通孔と係止用の凸部を別々に設ける面積は無い。そこで、挿通孔を含む領域全体を凸状に突出させて、凸部の上端面にリード線挿通孔の大気側開口部が形成されるようにすれば、シール部材の上端面を効率的に利用することが出来る。更に、押え部材に前記凸部を挿通する係合孔を設けるようにすれば、係合孔はそれ自体がリード線を挿通する孔となるため合理的である。
【0015】
なお、フィルタはそれ自体が薄く小さな小片であるため、少しの風でも飛んでしまい、取扱いに注意を要するため、製造工程上それ単体の状態である時間は出来るだけ少ないことが望ましい。その為、シール部材又は押え部材と一体にした状態で、取り扱えるようにしておくことが望ましい。そこで、フィルタに第3係合部を形成し、シール部材又は押え部材に第4係合部を形成しておくと良い。シール部材や押え部材の第4係合部にフィルタの第3係合部を係合させることで、フィルタをシール部材や押え部材などの比較的大きな部材と同時に取り扱うことが出来るので、取扱いが容易になる。それぞれの係合部は第3係合部としてフィルタに係合孔を形成し、第4係合部としてシール部材又は押え部材に凸部を形成し、それぞれを係合する形態が考えられる。この場合、前記第2係合部又は第1係合部を前記第4係合部として利用すると、別途第4係合部を設ける必要が無いので、合理的である。
【0016】
ところで、フィルタとシール部材或いは押え部材との密着性は重要であるが、シール部材と押え部材の密着性も防水の点から考えて重要である。この防水性を向上させるために、シール部材の上端面と押え部材の下端面の接触部分はテーパ状とする事が望ましい。この接触部分をテーパ状とする事で、係合の形状が僅かにずれているような場合にも、テーパ面のどこかで防水シール面が形成されるので、防水を確実にする事が出来る。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施例を図面と共に説明する。
[第1実施例]
本実施例は、本発明のガスセンサを酸素センサとして構成したものであり、図1は、当該酸素センサの全体構成を示す断面図である。
【0018】
同図に示すように、酸素センサ1は、ZrO2を主成分とする固体電解質体により先端が閉じた中空軸状に形成された検出素子2、検出素子2内に配置された軸状のセラミックヒータ3、検出素子2を収容するケーシング10等から構成されている。
【0019】
ケーシング10は、酸素センサ1を排気管等の取付部に固定すると共に、セラミックホルダ6,7及びセラミック粉末8を内部に収容し、検出素子2の閉じた先端部を排気管等の内部に突出させる主体金具9と、主体金具9の上部に延設され、上方から検出素子2の内面に大気を導入するための外筒13とから構成されている。
【0020】
また、主体金具9の上端部には、内側に延出したフランジ部9aの先端縁により円形の上部開口部が形成されており、このフランジ部9aがリング5を介してセラミックホルダ6,7及びセラミック粉末8を上方から固定している。そして、その上部開口部を覆う態様で外筒13の下端開口端部が嵌合装着されている。
【0021】
また、外筒13の上端開口部には、ゴム製の弾性体からなり、軸方向に通気孔15aを有する円柱形状のシール部材15と、シール部材15の上端面の一部を覆うように配置されたゴム製の押え部材16が挿入されており、シール部材15の上端面と押え部材16の下端面の間に撥水性フィルタ50を挟持してシールユニット14を構成している。シール部材15も押え部材16も耐熱性を確保するためにフッ素ゴムを用いているが、それぞれの硬度は異なり、シール部材15の硬度はショア硬さで60〜85であり、押え部材16の硬度は80〜100のものを用いる。このシール部材15にはリード線を挿通する挿通孔が形成されており、検出素子2及びセラミックヒータ3に接続されるリード線が挿通されている。
【0022】
そして、酸素センサ1における外筒13の内部に形成される基準ガス空間と大気との酸素の流通は、シールユニット14の通気経路に配置された撥水性フィルタ50を介して行われる。更に押え部材16の外周縁上端部では、外筒13が折り込まれて、押え部材16が抜け落ちない様になっている。
【0023】
以下、シール部材15の構造及び撥水性フィルタ50の取付構造等について、図2に基づいて説明する。
図2に示すように、シール部材15は円柱状であり、円板状の押え部材16と互いに上下軸方向に突き合わされる。そして、同図(a)に示すように、これらシール部材15と押え部材16との間にシート状の撥水性フィルタ50を介挿する態様でシールユニット14を構成している。
【0024】
押え部材16には、図2(b)上段に示すように、円板状の本体の中央を軸方向に貫通して外気を導入する通気孔16aと、この通気孔16aの周りに等間隔で配置され、上述したリード線20,21等を挿通するために同本体を軸方向に貫通する4つの挿通孔16bとが形成されている。
【0025】
また、シール部材15は、図2(b)下段に示すように、押え部材16とほぼ同様の形状を有し、押え部材16に設けられた通気孔16aに対応する位置に通気孔15aが、挿通孔16bに対応する位置に挿通孔15bが、それぞれ軸方向に貫通して形成されている。このシール部材15の軸方向の長さは、押え部材16のそれよりも長く形成されている。
【0026】
尚、上記通気孔16aと通気孔15aが上述したシールユニット14の通気経路を構成する。
撥水性フィルタ50は、図2(b)中段及び図2(c)に示すように、押え部材16及びシール部材15の外径にほぼ等しい外径を有する円形のシート状に形成され、上記挿通孔16b及び挿通孔15bに対応する位置に、挿通孔50aがそれぞれ形成されている。
【0027】
この撥水性フィルタ50は、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の未焼成成形体を、PTFEの融点よりも低い加熱温度で1軸以上の方向に延伸することにより得られる多孔質繊維構造体(例えば、商品名:ゴアテックス(ジャパンゴアテックス(株)))により、水滴等の水を主体とする液体の透過は阻止し、かつ気体(空気、水蒸気等)の透過は許容する撥水性フィルタとして構成されている。また、さらに撥油コートした多孔質繊維構造体(商品名:オレオベントフィルタ(ジャパンゴアテックス(株))を用いることもできる。これを用いることにより、付着した油分が気化して内部に侵入する危険性を低下させることができる。
【0028】
そして、シールユニット14の組付けは、図2(b)に示すように、押え部材16、撥水性フィルタ50、シール部材15を、それぞれに設けられた対応する各挿通孔を突き合わせる態様で接着することにより行われる。このとき、撥水性フィルタ50は、通気孔16aと通気孔15aとの間を通気可能に閉塞する。
【0029】
そして、このように形成されたシールユニット14が外筒13の開口端部47の内側に配置され、撥水性フィルタ50よりも僅かに下方の位置で、外筒13を介して径方向に加締められ、それにより外筒13及びシール部材15が密着し、そのシール性がより確実なものとされる。
【0030】
上記実施例では、シール部材15と押え部材16の間にシート状の撥水性フィルタ50を挟持する態様で固定するので、撥水性フィルタ50をシール部材15に固定する際に撥水性フィルタ50が引っ張られることが無く、防水性を維持することが出来る。
[第2実施例]
上記第1実施例では、シール部材15及び押え部材16の各々の平坦な端面を対向させ、その間に撥水性フィルタ50を配設する態様とした。しかし、この態様では、上記加締め工程においてその加締め力によるシール部材15及び押え部材16の軸方向の膨張によりこれらの間に抗力が生じ、場合によっては、外筒13の開口部47側に配置された押え部材16が、開口部47から脱落してしまうことが懸念される。
【0031】
この問題を回避する為に、第1実施例では、外筒の上端部を内側に少し折り曲げることで押え部材16の抜けを防止していた。
第2の実施例では、この様な問題を従前に回避するシールユニットの構成を示す。
【0032】
図3(a)は、本実施例に係るシールユニット214の平面図、同図(b)は、その断面A−Aに相当する部分断面図、そして、同図(c)は、シールユニット214の組み付け工程の説明図である。尚、酸素センサの全体構成は第1実施例と同様であるため、その説明については省略する。
【0033】
図3に示すように、押え部材216は、有底円筒状であり、これに内挿される円柱状のシール部材215との間に第1実施例と同様にシート状の撥水性フィルタ250を介挿してシールユニット214を構成している。
押え部材216は、図3(c)上段に示すように、その上端面中央に、後述するシール部材215の突出部215cを嵌合させるための係止孔216aが形成されている。また、この係止孔216aの周りには、後述するシール部材215の4つの突出部215dを嵌合させるための4つの係止孔216bが、等間隔で配置される態様で形成されている。そして、上端面の周端縁からは、下方に延びる側壁が円筒状に形成されている。
【0034】
一方、シール部材215は、同図下段に示すように、その外径が押え部材216の側壁の内径にほぼ等しく、その軸方向の長さが押え部材216の軸方向の長さにほぼ等しくなるように形成されている。そして、その円柱状の本体の中央を軸方向に貫通して外気を導入する通気孔215aと、この通気孔215aの周りに等間隔で配置され、上述したリード線20,21等を挿通するために同本体を軸方向に貫通する4つの挿通孔215bとが形成されている。そして、その上端面には、通気孔215aの周りに同軸状に突設された筒状の突出部215c、及び、各々の挿通孔215bの周りに同軸状に突設された筒状の突出部215dがそれぞれ形成されている。
【0035】
そして、これらシール部材215、押え部材216、及び撥水性フィルタ250との組付けは、まず、撥水性フィルタ250に設けられ、挿通孔を兼ねた4つの係止孔250aを、対応するシール部材215の4つの突出部215dの周りにはめ込む。この時点において、撥水性フィルタ250は、シール部材215の中央の突出部215cの位置で僅かに浮き上がった状態となっている。
【0036】
そして、この状態からシール部材215を押え部材216に内挿嵌合させる。このとき、撥水性フィルタ250がシール部材215と押え部材216とにより挟持される態様で固定される。この際、撥水性フィルタ250は中央の係止孔216aと突出部215cとの界面で引っ張られるが、突出部215cの長さ(高さ)が小さいため、撥水性フィルタ250の耐水圧にはほとんど影響がない。
【0037】
本実施例の構成によれば、押え部材216にシール部材215が内挿されるので、接着剤を用いなくても全体を一体のシールユニット214として取り扱うことが出来る。このため、組付け時に取扱いが容易なる。また、シールユニット214を外筒13を加締めて固定する場合に、押え部材216の側壁がシール部材215と外筒13との間に挟持されるので、押え部材216が抜け落ちることを防止できる。また、加締め力によりシール部材215が垂直方向に膨らむことで、シール部材215の上端面と押え部材216の下端面との間の押圧力が増えるので、撥水性フィルタ250近傍のシール性が向上する。
【0038】
また、本実施例では、検出素子2の電極に接続されたリード線20,21等を挿通するための複数の挿通孔215bを、シール部材215側に集中して設ける態様をとった。このため、上記第1実施例のように、これら複数の挿通孔を押え部材216及びシール部材215の双方にそれぞれ設けた場合のように、これら挿通孔の突き合わせの精度を考慮する必要もない。
【0039】
さらに、撥水性フィルタ250の組み付けに際し、撥水性フィルタ250側に設けられた係止孔250aをシール部材215側の複数の突出部215dに係合させる態様をとっている。このため、加締め工程時においても撥水性フィルタ250がシール部材215と押え部材216との界面においてずれる等の心配はなく、そのシール性を保持することができる。
【0040】
なお、押え部材216は、金属でも良い。特に第2実施例のように、押え部材216の厚さを薄くする場合には、材質を金属とする事が望ましい。この場合、外筒13からの加締めは押え部材216の側壁ごと加締めてもよいが、外筒13と押え部材216の側壁の間の防水性は加締めによるシールだけが頼りとなるので、若干防水性が低下する恐れが有る。
【0041】
そこで、図4(a)に示すようにシール部材215の下端(一点鎖線部)を拡径してシール部材215と外筒13の間でも防水のシール面を形成する様にすると良い。
更に、図4(b)の様に、押え部材216の側壁の下端部からシール部材215の下端の拡径部に亘って外筒13を加締めることで、更に確実にシール性を確保することが出来る(一点鎖線部参照)。
【0042】
なお、押え部材216を殆ど変形しない硬質の樹脂又はセラミックスで形成した場合には、外筒13と同時に側壁を加締める事が出来ないので、その場合には、図4(c)の様にシール部材215の拡径部において、外筒13を加締めるようにする(一点鎖線部参照)。但し、この場合には、押え部材216がシール部材215に強固に固定されないと抜け落ちる恐れが有るので、外筒13の上端部(点線部)を内側に折り曲げて押え部材216が抜け落ちない様にすることが望ましい。
【0043】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明の実施の形態は、上記実施例に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
例えば、上記第2実施例の構成において、押え部材216、撥水性フィルタ250、及びシール部材215の密着性をより確実なものとするために、図5に示すような構成を採用することもできる。
【0044】
すなわち、図5に示す構成では、押え部材316とシール部材315の上下軸方向に互いに直接又はフィルタを介して当接する接触面316a,315aを、テーパ形状に形成している。
このように、両シール部材316,315の接触面をテーパ状に形成することで、押え部材316及びシール部材315による撥水性フィルタ350への押しつけ面積を増加させることができ、それにより、撥水性フィルタ350のより堅固な組付けを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例に係る酸素センサの全体構成を示す断面図である。
【図2】 本発明の第1実施例に係るシールユニットの構成を示す説明図である。
【図3】 本発明の第2実施例に係るシールユニットの構成を示す説明図である。
【図4】 第2実施例の変形例に係るシールユニットの構成を示す部分断面図である。
【図5】 第2実施例の変形例に係るシールユニットの構成を示す部分断面図である。
【符号の説明】
1・・・酸素センサ、 2・・・検出素子、 9・・・主体金具、
13・・・外筒、 14,214・・・シールユニット、
15,215,315・・・シール部材、
16,216,316・・・押え部材、 15a,16a・・・通気孔、
15b,16b・・・挿通孔、 20,21・・・リード線、
50,250,350・・・撥水性フィルタ、
50a,250a・・・挿通孔、 215a・・・通気孔、
215b・・・挿通孔、 215c・・・突出部、 215d・・・突出部、
216a・・・係止孔、 216b・・・係止孔、
315a,316a・・・接触面
Claims (16)
- 検出素子と、
前記検出素子を保持する主体金具と、
前記検出素子の上端側に大気から隔離された基準ガス空間を形成する外筒と、
前記外筒と共に前記基準ガス空間を形成する弾性体からなるシール部材と、
を有するガスセンサであって、
前記シール部材には少なくとも1つの通気経路が形成され、
前記通気経路の大気側開口部は、前記シール部材の上端面に開口しており、
前記大気側開口部を覆うようにフィルタが設けられており、
前記フィルタは、前記シール部材と、前記フィルタの上端面の少なくとも一部を覆うように設けられた押え部材とによって挟持されている事、
を特徴とするガスセンサ。 - 前記押え部材は、樹脂によって形成されている事、
を特徴とする請求項1記載のガスセンサ。 - 前記押え部材は、弾性体によって形成されている事、
を特徴とする請求項1記載のガスセンサ。 - 前記押え部材は、ゴムによって形成されている事、
を特徴とする請求項3記載のガスセンサ。 - 前記押え部材は、前記シール部材よりも硬度が高い事、
を特徴とする請求項3記載のガスセンサ。 - 前記押え部材は、金属によって形成されている事、
を特徴とする請求項1記載のガスセンサ。 - 前記押え部材は、セラミックスによって形成されている事、
を特徴とする請求項1記載のガスセンサ。 - 前記押え部材は、前記シール部材の少なくとも一部を内側に収容する様にその外周縁から一方向に延びる側壁が形成されている事、
を特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載のガスセンサ。 - 前記シール部材は、第1係合部を有し、
前記押え部材は、第2係合部を有し、
前記第1係合部と前記第2係合部が係合して前記押え部材が前記シール部材に係止している事、
を特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載のガスセンサ。 - 前記第1係合部は、前記シール部材上端面に形成された凸部であり、
前記第2係合部は、前記押え部材に形成された前記凸部に係合する凹部である事、
を特徴とする請求項9記載のガスセンサ。 - 前記第1係合部は、前記シール部材上端面に形成された凸部であり、
前記第2係合部は、前記押え部材に形成された前記凸部を挿通する係合孔である事、
を特徴とする請求項9記載のガスセンサ。 - 前記検出素子にはリード線が接続され、
前記シール部材は前記リード線が挿通する挿通孔を有し、
前記凸部は、前記挿通孔を含んだ領域に形成されている事、
を特徴とする請求項10又は請求項11に記載のガスセンサ。 - 前記フィルタは、第3係合部を有し、
前記シール部材又は前記押え部材は、第4係合部を有し、
前記第3係合部と前記第4係合部が係合して前記フィルタが前記シール部材、又は前記押え部材に係止している事、
を特徴とする請求項1乃至12のいずれかに記載のガスセンサ。 - 前記第3係合部は、前記フィルタに設けられた係合孔であり、
前記第4係合部は、前記シール部材又は前記押え部材に形成された凸部である事、
を特徴とする請求項13記載のガスセンサ。 - 前記第4係合部は、前記第1係合部又は前記第2係合部である事、
を特徴とする請求項13又は請求項14記載のガスセンサ。 - 前記シール部材の上端面と、前記押え部材の下端面のそれぞれが、テーパ状に形成されている事、
を特徴とする請求項8乃至15のいずれかに記載のガスセンサ。
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